Les scientifiques renforcent les preuves d’une nouvelle physique dans l’expérience Muon G-2 – Technoguide

Les scientifiques testent notre compréhension fondamentale de l’univers, et il y a beaucoup plus à découvrir.

Qu’ont en commun les écrans tactiles, la radiothérapie et le film rétractable? Ils ont tous été rendus possibles par la recherche en physique des particules. Les découvertes sur le fonctionnement de l’univers à la plus petite échelle mènent souvent à d’énormes progrès technologiques que nous utilisons chaque jour.

Des scientifiques du Laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE) et du Laboratoire national des accélérateurs Fermi, ainsi que des collaborateurs de 46 autres institutions et de sept pays, mènent une expérience pour mettre à l’épreuve notre compréhension actuelle de l’univers. Le premier résultat indique l’existence de particules ou de forces non découvertes. Cette nouvelle physique pourrait aider à expliquer les mystères scientifiques de longue date, et la nouvelle perspective ajoute à une réserve d’informations que les scientifiques peuvent exploiter lors de la modélisation de notre univers et du développement de nouvelles technologies.

L’expérience, Muon g-2 (prononcé Muon g moins 2), fait suite à celle qui a commencé dans les années 90 au laboratoire national de Brookhaven du DOE, dans laquelle les scientifiques ont mesuré une propriété magnétique d’une particule fondamentale appelée muon.

L’expérience de Brookhaven a donné un résultat qui différait de la valeur prédite par le modèle standard, la meilleure description par les scientifiques de la composition et du comportement de l’univers à ce jour. La nouvelle expérience est une recréation de Brookhaven, conçue pour contester ou affirmer l’écart avec une plus grande précision.

Le modèle standard prédit très précisément le facteur g du muon – une valeur qui indique aux scientifiques comment cette particule se comporte dans un champ magnétique. Ce facteur g est connu pour être proche de la valeur deux, et les expériences mesurent leur écart par rapport à deux, d’où le nom Muon g-2.

L’expérience de Brookhaven a indiqué que le g-2 différait de la prédiction théorique de quelques parties par million. Cette minuscule différence faisait allusion à l’existence d’interactions inconnues entre le muon et le champ magnétique – interactions qui pourraient impliquer de nouvelles particules ou forces.

Le premier résultat de la nouvelle expérience est tout à fait en accord avec celui de Brookhaven, renforçant la preuve qu’il y a une nouvelle physique à découvrir. Les résultats combinés de Fermilab et Brookhaven montrent une différence par rapport au modèle standard à une signification de 4,2 sigma (ou écarts-types), légèrement inférieure aux 5 sigma dont les scientifiques ont besoin pour revendiquer une découverte, mais toujours des preuves convaincantes d’une nouvelle physique. La probabilité que les résultats soient une fluctuation statistique est d’environ 1 sur 40 000.

Les particules au-delà du modèle standard pourraient aider à expliquer des phénomènes déroutants en physique, tels que la nature de la matière noire, une substance mystérieuse et omniprésente que les physiciens savent qu’il existe mais n’ont pas encore détecté.

«C’est un résultat incroyablement passionnant», a déclaré Ran Hong d’Argonne, un post-doctorant qui a travaillé sur l’expérience Muon g-2 pendant plus de quatre ans. “Ces découvertes pourraient avoir des implications majeures pour les futures expériences de physique des particules et pourraient conduire à une meilleure compréhension du fonctionnement de l’univers.”

L’équipe de scientifiques d’Argonne a largement contribué au succès de l’expérience. L’équipe d’origine, assemblée et dirigée par le physicien Peter Winter, comprenait Hong et Simon Corrodi d’Argonne, ainsi que Suvarna Ramachandran et Joe Grange, qui ont depuis quitté l’Argonne.

“Cette équipe possède un ensemble de compétences impressionnant et unique avec une grande expertise en matière de matériel, de planification opérationnelle et d’analyse des données”, a déclaré Winter, qui dirige les contributions du Muon g-2 depuis l’Argonne. “Ils ont apporté des contributions vitales à l’expérience, et nous n’aurions pas pu obtenir ces résultats sans leur travail.”

Pour dériver le vrai g-2 du muon, les scientifiques du Laboratoire Fermi produisent des faisceaux de muons qui voyagent en cercle à travers un grand anneau creux en présence d’un champ magnétique puissant. Ce champ maintient les muons dans l’anneau et fait tourner la direction du spin d’un muon. La rotation, que les scientifiques appellent la précession, est similaire à la rotation de l’axe terrestre, mais beaucoup, beaucoup plus rapidement.

Pour calculer g-2 avec la précision souhaitée, les scientifiques doivent mesurer deux valeurs avec une très grande certitude. L’un est le taux de précession de spin du muon lorsqu’il traverse l’anneau. L’autre est la force du champ magnétique entourant le muon, qui influence sa précession. C’est là qu’intervient Argonne.

Excursion

Bien que les muons traversent un champ magnétique incroyablement constant, les changements de température ambiante et les effets du matériel de l’expérience provoquent de légères variations dans tout l’anneau. Même ces petits changements d’intensité de champ, s’ils ne sont pas pris en compte, peuvent avoir un impact significatif sur la précision du calcul g-2.

Afin de corriger les variations de champ, les scientifiques mesurent en permanence le champ de dérive à l’aide de centaines de sondes montées sur les parois de l’anneau. De plus, ils envoient un chariot autour de l’anneau tous les trois jours pour mesurer l’intensité du champ à l’endroit où le faisceau de muons passe réellement. Des sondes sont montées sur le chariot qui cartographient le champ magnétique avec une précision incroyablement élevée sur toute la circonférence de 45 mètres de l’anneau.

Pour atteindre l’objectif d’incertitude ultime de moins de 70 parties par milliard (environ 2,5 fois mieux que la mesure sur le terrain de l’expérience précédente), les scientifiques d’Argonne ont remis à neuf le système de chariot utilisé dans l’expérience de Brookhaven avec des capacités de communication avancées et de nouvelles sondes de champ magnétique ultraprécises. développé par l’Université de Washington.

Le chariot fait le tour de l’anneau dans les deux sens, prenant environ 9 000 mesures par sonde et direction. Les scientifiques utilisent les mesures pour reconstruire des tranches du champ magnétique, puis dérivent une carte 3D complète du champ dans l’anneau. Les valeurs de champ aux points de la carte entrent dans le calcul de g-2 pour les muons passant par ces emplacements. Plus les mesures sur le terrain sont bonnes, plus le résultat final est significatif.

Les scientifiques ont également converti certains des signaux analogiques utilisés dans l’ancienne expérience en signaux numériques pour augmenter la quantité de données qu’ils pouvaient obtenir des sondes. Cela nécessitait une ingénierie complexe du système de communication du chariot pour minimiser les perturbations des mécanismes de sonde sensibles.

“Il était assez difficile de faire fonctionner le chariot en douceur et en toute sécurité. Il fallait que le système de contrôle gère les opérations de routine, mais également identifier les urgences et réagir de manière appropriée”, a déclaré Hong, dont l’expérience en recherche scientifique et en ingénierie était cruciale pour la conception du chariot. fonctionner avec une perturbation limitée de l’expérience.

L’équipe prévoit de mettre à niveau le système de chariot pour la prochaine période de prise de données afin d’améliorer encore les mesures en réduisant progressivement l’incertitude.

Réglage fin

Dans les expériences de précision comme Muon g-2, l’objectif principal est de réduire toute incertitude ou erreur systématique qui pourrait affecter les mesures.

«Mesurer les nombres bruts est relativement facile – déterminer à quel point nous connaissons les nombres est le véritable défi», a déclaré Corrodi, postdoctorant dans la division de physique des hautes énergies (HEP) d’Argonne.

Pour garantir la précision des mesures du champ magnétique, les scientifiques ont calibré les sondes à l’aide de l’installation de solénoïdes 4 Tesla d’Argonne, qui abrite un aimant d’un ancien scanner d’imagerie par résonance magnétique (IRM). L’aimant produit un champ magnétique uniforme et stable avec plus de 400 fois la force d’un aimant de réfrigérateur.

Les scientifiques d’Argonne ont calibré les sondes du chariot par rapport aux lectures d’une sonde conçue et testée à l’intérieur de l’aimant solénoïde. Ce processus garantit que les sondes lisent chacune la même mesure dans le même champ magnétique et permet aux scientifiques d’effectuer des corrections précises. L’installation de test a permis aux scientifiques de réaliser des mesures sur le terrain jusqu’à plusieurs parties par milliard – comme mesurer le volume d’eau d’une piscine jusqu’à la goutte.

“En plus d’étalonner les sondes, nous avons amélioré les mesures sur le terrain en ajustant les paramètres de fonctionnement à la volée”, a déclaré Corrodi. “Au cours de l’analyse des données, nous avons trouvé des effets auxquels nous ne nous attendions pas.”

Lorsque Corrodi et son équipe ont constaté des problèmes dans les données, ils ont enquêté sur le système pour en identifier la cause. Par exemple, certains appareils de l’anneau focalisent le faisceau de muons pour le maintenir centré. Ces dispositifs perturbent cependant légèrement le champ magnétique dans l’anneau. Les scientifiques ont conçu un moyen de mesurer cet effet afin de le supprimer de l’analyse.

Mettre tous ensemble

Le trajet des données de champ magnétique de la sonde à l’ordinateur est complexe. Corrodi, Hong et d’autres ont configuré le matériel et le logiciel pour lire les données des sondes de terrain avec les horodatages et les emplacements corrects. Ils ont également dû donner un sens aux données, qui commencent en code binaire, afin de les intégrer au cadre d’analyse commun de l’expérience.

“Nous avons dû convertir les données brutes en quelque chose avec lequel nous pourrions travailler”, a déclaré Hong, “et nous étions en charge du contrôle de la qualité des données, déterminant les données défectueuses à rejeter dans l’analyse ultime du g-2.”

Corrodi dirigera l’équipe d’analyse du champ magnétique, résolvant les conflits avec les équipements et s’assurant que les différentes équipes de l’expérience convergent vers le prochain résultat, a déclaré Winter. “Vous devez vraiment comprendre toute l’analyse de terrain pour atteindre nos objectifs scientifiques.”

L’avenir des expériences sur les muons

La première chose que les scientifiques prévoient de faire est de revérifier les résultats.

“Jusqu’à présent, la précision de la mesure ultime du g-2 est comparable à celle de l’expérience de Brookhaven, mais cela est dominé par le fait que les données sont limitées jusqu’à présent”, a déclaré Corrodi. “Nous n’avons analysé que 6% des données que nous prévoyons de reprendre sur toute l’expérience. Ces données ajoutées réduiront considérablement l’incertitude.”

Le premier résultat est également encourageant pour les scientifiques qui mènent d’autres expériences actuelles et prévues sur les muons, y compris une future expérience sur le g-2 qui sera menée au Japon et la prochaine expérience sur les muons au Fermilab – l’expérience Mu2e. Ces projets utilisent déjà le Solenoid Facility d’Argonne pour étalonner leurs sondes de champ magnétique avec celles utilisées au Fermilab.

“Il pourrait y avoir un effort renouvelé pour rechercher des muons au Grand collisionneur de hadrons, à la recherche d’indices possibles de la nouvelle physique derrière la valeur g-2”, a déclaré Carlos Wagner, physicien théoricien du HEP d’Argonne, qui tente d’expliquer ces phénomènes. “Il pourrait également y avoir un regain d’intérêt pour la construction d’un collisionneur de muons, qui pourrait fournir un moyen direct de vérifier cette nouvelle physique.”

Une fois que les scientifiques auront pris en main cette nouvelle physique, elle pourra peut-être informer des modèles de mécanique cosmologique et quantique, ou même aider les scientifiques à inventer de nouvelles technologies à l’avenir – la prochaine pellicule rétractable, peut-être.

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